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FAST大型天文望远镜为何领先国外

　　出品：科普中国

　　制作：Get tech

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　从 20 世纪 30 年代初到现今，人类打开了天文观测的新窗口，通过非传统光学波段接收来自宇宙中的电波信号，获取、分析各种信息。

　　2015 年 8 月 2 日，贵州喀斯特洼地建造的 500 米口径球面射电天文望远镜（FAST）第一块检测合格的反射面单元在工程现场成功吊装，这标志着世界最大的单口径射电望远镜施工进入最后冲刺阶段。

　　一、什么是FAST大型天文望远镜

　　射电望远镜（FAST——Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope）是国家科教领导小组审议确定的九大科技基础设施之一，采用独创设计，利用贵州喀斯特洼地的独特地形，建设的 500 米口径球面射电天文望远镜（FAST），约 30 个足球场地大的高灵敏巨型射电望远镜。

　　FAST 大型天文望远镜发展脉络:早在 1997 年，LT（SKA）中国推进委员会提出建造。1998 年，FAST 项目委员会正式成立。选址在贵州黔南，因为地貌最接近 FAST 造型，工程开口量最小，喀斯特洼地雨水向下渗透不会腐蚀望远镜。附近的 5 千米半径内没有乡村，是最理想的无线电建设环境。

　　2015 年 8 月 2 日，FAST 首块反射面单元吊装成功。它的建成，将成为世界最大口径的射电望远镜。

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　　二、望远镜的分类和FAST射电望远镜优势

　　天文望远镜按照探测的电磁波分类，分为射电望远镜（探测无线电）、光学望远镜（探测可见光）、红外线、X射线、伽玛射线望远镜。

　　射电望远镜按照形态分，可以分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜、带形射电望远镜和望远镜阵（把单个射电望远镜连起来，收集单个望远镜的数据）。射电望远镜的作用主要是测量天体射电强度、放大射电信号接收机、信息记录处理显示系统、收集射电波的定向天线、测量频谱、偏振量等。

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　　抛面的射电望远镜和球面的射电望远镜的区别在于，当电磁波平行入射，抛面的射电望远镜把电磁波聚焦在一个点上，球面射电望远镜只能把电磁波聚焦在一条线上。

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　　FAST 射电望远镜属于球面，望远镜四周有 6 座百米高的支撑塔，用钢索吊起了馈源舱。射电望远镜，通过反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。FAST 射电望远镜的一大创新点，是能主动反射电磁波，在采集数据上相对进步了许多。

　　FAST 想要实现镜面式抛物面，进而能一次性将电磁波汇聚成点，因此整个望远镜镜面是由很多块小面板拼成，每一块都能在一定的范围内调整位置（如下图右）。

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　　中国拥有 FAST 的自主知识产权。与号称地球最大的机器德国波恩 100 米望远镜对比，FAST 的灵敏度提高了 10 倍；与美国 Arecibo 300 米望远镜相比，其综合性能提高约 2.25 倍(美国 Arecibo 300 米望远镜被评为人类 20 世纪十大工程之首)。它将对国际同类设备保持 20 年以上的领先水平，能够对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行更精密观测，也有可能找到宇宙中存在的其他生命体。

　　三、FAST射电望远镜的创新

　　前面提到，射电望远镜按照形态分，可以分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜，FAST 射天望在设计之初，设定了 500m 的直径，比 FAST 的前辈——Arecibo 305m 望远镜要有进步。它的主射面整体是不可动的，如果被设计成抛面，只能被动观测扫过它的视场内源，这对于巨大的积分面积、灵敏程度的优化都是没有益处的。但是球面设计也有缺点，球面射电望远镜只能把电磁波聚焦在一条线上。

　　FAST 射电望远镜的创新就是主动接受电磁波。在主反射镜的每个面板上加入实时主动的控制技术，如上文所提到的，整个望远镜镜面是由很多块小面板拼成，通过主动变形技术实时把面板形成有效照明口径 300 米、焦比 0.4665 的旋转抛物面，主动聚焦，增加有效的积分面积，同时还可以增加观测俯仰范围，增加有效积分时间。

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